混合燃?xì)獗O限計(jì)算方法探討

周運(yùn)志

中石化上海工程有限公司（上海 200120）

在石油化工生產(chǎn)過程中，混合燃?xì)獗ㄊ且l(fā)重大生產(chǎn)事故的主要原因，嚴(yán)重威脅人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全。爆炸極限是表征可燃?xì)怏w爆炸特性的重要參數(shù)，也是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)重要的安全技術(shù)指標(biāo)。爆炸極限的下限越低、上限越高，就越容易引發(fā)火災(zāi)和爆炸，危險(xiǎn)性越大，反之，危險(xiǎn)性越小。因此，有必要研究并掌握混合燃?xì)獾谋O限，這對(duì)準(zhǔn)確把握、控制爆炸的發(fā)生，對(duì)石油化工生產(chǎn)裝置的工程設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)都具有積極作用。

1 確定混合燃?xì)獗O限的意義

GB 50160—2008（2018年版）《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》[1]根據(jù)可燃?xì)怏w的爆炸下限是否小于10%把可燃?xì)怏w的火災(zāi)危險(xiǎn)性分成甲、乙兩類，其類別的歸屬對(duì)石油化工廠的總平面布置及工藝裝置和系統(tǒng)單元的設(shè)備、建筑物平面布置要求的防火間距有很大差異，甲類可燃?xì)怏w的危險(xiǎn)性、危害性大，要求的安全間距也更大。

GB 50016—2014（2018年版）《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[2]中規(guī)定的甲類、乙類生產(chǎn)和存儲(chǔ)物品的火災(zāi)危險(xiǎn)性分別包含了按爆炸下限是否小于10%劃分的氣體，不同類別的可燃?xì)怏w對(duì)生產(chǎn)、存儲(chǔ)的廠房和倉(cāng)庫(kù)的耐火等級(jí)、層數(shù)、面積、平面布置等方面的設(shè)計(jì)要求也大不相同。

有爆炸危險(xiǎn)的工藝設(shè)備，其內(nèi)允許的最大可燃?xì)怏w含量以及動(dòng)火作業(yè)時(shí)允許的最大可燃?xì)怏w含量等均和爆炸極限有關(guān)。因此，對(duì)混合燃?xì)獗O限進(jìn)行研究和計(jì)算是很有必要的。確定了混合燃?xì)獾谋O限尤其是爆炸下限，就可以從根本上了解其爆炸危險(xiǎn)性，從而準(zhǔn)確把握、控制爆炸的發(fā)生，降低危險(xiǎn)系數(shù)，對(duì)石油化工生產(chǎn)裝置的工程設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 混合燃?xì)獗O限的計(jì)算及比較

利用實(shí)驗(yàn)室爆炸極限測(cè)定裝置[3]能夠獲得準(zhǔn)確的可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸極限，但實(shí)際生產(chǎn)中可燃?xì)怏w及其形成混合物的種類和組成多種多樣，而且這種測(cè)試比較困難，不具有廣泛應(yīng)用性。因此，采用理論公式對(duì)混合燃?xì)獾谋O限進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以證明用理論公式計(jì)算可燃?xì)怏w的爆炸極限是可行的，具有實(shí)際參考意義。

單組分氣體的爆炸極限容易獲取，然而日常生產(chǎn)實(shí)踐中，遇到的大多是氣體混合物。在混合氣體中，各組分之間會(huì)相互影響，使混合氣體形成一個(gè)新的爆炸極限。混合氣體爆炸極限的計(jì)算大致分3種情況。

2.1 多種可燃?xì)怏w組成的混合氣體

對(duì)于兩種或兩種以上可燃?xì)怏w組成的混合氣體，可根據(jù)理·查特里（Le Chatelier）公式計(jì)算出混合可燃?xì)怏w與空氣相混合的爆炸極限[4]。理·查特里公式是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，適用于混合氣體的各組分均為可燃?xì)怏w，每種可燃?xì)怏w的爆炸極限已知，且各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[5]。

式中：Lm為可燃?xì)怏w混合物的爆炸極限；Li為某一可燃?xì)怏w的爆炸極限；Vi為某一可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)，∑Vi=100%。

2.2 可燃?xì)怏w和惰性氣體組成的混合氣體

如果在可燃?xì)怏w混合物中混入N2，CO2等惰性氣體，仍可根據(jù)理·查特里公式計(jì)算爆炸極限，但需要按式（2）進(jìn)行惰性氣體修正[4]。其計(jì)算方法是：先扣除混合氣體中的惰性氣體，對(duì)剩下的可燃?xì)怏w部分按體積分?jǐn)?shù)為100%進(jìn)行調(diào)整，先用（1）式計(jì)算出全部可燃?xì)怏w混合時(shí)的爆炸極限，然后用（2）式進(jìn)行修正計(jì)算，得到可燃?xì)怏w和惰性氣體的混合氣體的爆炸極限。

式中：LN為混合氣體的爆炸極限；Lm為可燃?xì)怏w混合物的爆炸極限；B為惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)。

2.3 可燃?xì)怏w、惰性氣體和氧氣組成的混合氣體

當(dāng)混合氣體中含有氧氣時(shí)，可以認(rèn)為混合氣體中含有部分空氣，這類混合氣體爆炸極限的計(jì)算需要2次調(diào)整體積分?jǐn)?shù)，過程煩瑣，容易出錯(cuò)。其計(jì)算過程是先將混合氣體中的氧氣和氮?dú)獍纯諝獾醣?.762進(jìn)行扣除，對(duì)剩下的可燃?xì)怏w和惰性氣體按體積分?jǐn)?shù)為100%進(jìn)行調(diào)整，然后根據(jù)2.2用（1）式、（2）式計(jì)算出不含空氣的混合氣體的爆炸極限，最后用（3）式計(jì)算出整體混合氣體的爆炸極限[6]。

式中：LT為混合氣體的爆炸極限；LN為無空氣基時(shí)可燃?xì)怏w和惰性氣體混合的爆炸極限；Xair為混合氣體中氧氮折算的空氣體積分?jǐn)?shù)。

2.4 混合氣體爆炸極限計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

查閱文獻(xiàn)，單一可燃?xì)怏w的爆炸極限見表1[6]，文獻(xiàn)中實(shí)測(cè)的混合氣體的爆炸極限見表2[7-8]。根據(jù)式（1）、（2）、（3），分別按類型對(duì)混合氣體的爆炸極限進(jìn)行計(jì)算并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，具體見表2。

表1 單一可燃?xì)怏w的爆炸極限%

從上述計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比可以看出，用理論公式計(jì)算的爆炸下限比文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)值要低，而上限比文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)值要高，這對(duì)實(shí)際運(yùn)用是偏安全的。所以，用理論公式計(jì)算的爆炸極限值是可用的，在工程上具有參考意義。

3 可燃?xì)怏w很少的混合氣體易燃性判定

石油化工裝置在生產(chǎn)過程中往往會(huì)排放大量廢氣，這些廢氣中可燃?xì)怏w濃度很低，大部分是N2，CO2等惰性氣體。如果直接套用理論公式，會(huì)得到相應(yīng)的爆炸極限計(jì)算值，但該計(jì)算結(jié)果未必有意義。這是因?yàn)椋栊詺怏w會(huì)對(duì)可燃?xì)怏w的爆炸極限有抑制作用，而且隨著惰性氣體濃度的提高，混合氣體的爆炸極限范圍不斷變窄，當(dāng)惰性氣體濃度超過某一定值時(shí)就會(huì)變成不可燃?xì)怏w。針對(duì)這類情況，建議先按ISO10156：2017《Gas cylinders—Gases and gas mixtures—Determination of fire potential and oxidizing ability for the selection of cylinder value outlets》[9]對(duì)可燃?xì)怏w含量很低的混合氣體的易燃性進(jìn)行判定，然后再計(jì)算其爆炸極限。

3.1 可燃?xì)怏w和惰性氣體的混合氣體

可燃?xì)怏w和惰性氣體的混合氣體的易燃性判定原則如下：

式中：Vi為可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)；Tci為可燃?xì)怏w與氮?dú)饣旌蠚怏w在空氣中不可燃的最大體積分?jǐn)?shù)；i為混合氣體中的第i種可燃?xì)怏w，n為混合氣體中的第n種可燃?xì)怏w。

若混合氣體中含有CO2，Ar等非氮?dú)獾亩栊詺怏w，應(yīng)采用該惰性氣體的氮等價(jià)系數(shù)來調(diào)整混合氣體的體積。惰性氣體的氮等價(jià)系數(shù)見表4。

當(dāng)R≤1時(shí)，說明該混合氣體在空氣中不易燃，反之則易燃。判定出易燃性后，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算氣體混合物的爆炸極限。

案例：氣體混合物中含有7%的H2和93%的CO2，判斷其易燃性。

由表4可知，CO2相應(yīng)的氮等價(jià)系數(shù)為1.5，即7%（H2）+1.5×93%（CO2）,然后調(diào)整體積分?jǐn)?shù)總和為1，即4.78%（H2）+95.22%（CO2），查得H2的Tci=5.5%，代入式（4）得：

表4 惰性氣體的氮等價(jià)系數(shù)K k

R＜1，說明則該混合氣體不易燃。

3.2 可燃?xì)怏w、惰性氣體和氧氣的混合氣體

如果符合以下兩個(gè)條件，含有易燃和氧化氣體的混合物被判定為易燃：

（1）易燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)Ai＞Li；

（2）易燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)A i≥T ci(flamox)，

式中：Ai為混合氣體中可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)；Li為可燃?xì)怏w的爆炸下限；Tci為可燃?xì)怏w與氮?dú)饣旌蠚怏w在空氣中不可燃的最大體積分?jǐn)?shù)；X（O2）為混合氣體中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

案例：氣體混合物中含有2%H2，1%CH4，13%O2，84%N2，判斷其易燃性。

查得H2的爆炸下限為4%，Tci為5.5%；CH4的爆炸下限為4.4%，Tci為8.7%。

易燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)=2%+1%=3%，混合易燃?xì)怏w 的爆炸下限=（2%+1%）/(2%/4%+1%/4.4%)=4.12%，混合易燃?xì)怏w在空氣中不可燃的最大體積分?jǐn)?shù)=（2%+1%）/(2%/5.5%+1%/8.7%)=6.27%。

X（O2）=13%,則Tci(flamox)=6.27%×(1-13%/21%)=2.39%。

根據(jù)判定原則，條件（1）不成立，條件（2）成立，兩個(gè)條件不同時(shí)成立，所以該混合氣體不易燃。

4 結(jié)語(yǔ)

確定可燃?xì)怏w的爆炸極限尤其是爆炸下限，可以從根本上了解可燃?xì)怏w的爆炸危險(xiǎn)性，從而準(zhǔn)確把握、控制爆炸的發(fā)生，降低危險(xiǎn)系數(shù)，對(duì)石油化工的設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)有積極作用。

對(duì)于可燃混合氣體，利用理·查特里（Le Chatelier）公式計(jì)算的爆炸下限比實(shí)測(cè)值低，而上限比實(shí)測(cè)值高。因此，用理論公式計(jì)算的爆炸極限是可用的，在工程上具有參考意義。對(duì)于含有低濃度可燃?xì)怏w的混合物，應(yīng)先判斷其易燃性，再計(jì)算爆炸極限。